三峡工程船闸高边坡多点位移计形变分析

1、三峡工程船闸高边坡多点位移计形变分析             摘要根据三峡永久船闸高边坡多点位移计监测资料选取典型测孔进行回归分析。结果表明，对边坡变形影响最大的因素是开挖因素，随着船闸闸槽的下挖，边坡临空面的水平地应力逐步释放，边坡高度逐渐增大，边坡边界条件发生变化，使得边坡岩体向临空面变形。开挖强度越大、变形速率越大。由于锚固措施的使用开挖结束后，岩体深层变形逐渐趋于稳定。说明船闸边坡深层变形是稳定的。 关键词三峡船闸 边坡 多点位移计 形变 分析 1 

2、0;工程概况三峡永久船闸为双线五级连续船闸，布置于枢纽左岸坛子岭左侧的山体中。船闸轴线方向为SE110°5808，与坝轴线夹角为67°2512。船闸线路总长6442m，主体结构段长1607m，闸室有效尺寸为280×34m。两线船闸中心线相距94m，中间保留宽57m的直立岩体隔墩。永久船闸是在山体中开挖深槽而形成的，两侧边坡开挖高度一般为70120m，最高170m。其中闸室段墙顶以下直立坡高5070m。开挖主要分两期完成，第一期为闸室墙顶以上部分的开挖，第二期为闸室直立坡的开挖。一期开挖自1994年4月开始至1995年11月完成。二期开挖自1996年4月开始至199

3、9年4月全部开挖完成。永久船闸直立坡的边坡岩体主要为闪云斜长花岗岩（NPt），质地坚硬，结构较完整，结构面除一些随开挖而揭露的小规模的断层外，主要以一些原生、次生节理为主，部分节理面充填有花岗岩脉。断层、节理面的产状以陡倾为主，以倾角65°75°的结构面最为发育，结构面与边坡的夹角一般大于30°。按照风化程度，永久船闸岩体从上到下依次为全强风化、弱风化、微风化及新鲜岩体，全风化层厚度约934m，弱风化层厚度约822m。由于开挖深度大，运行条件复杂，对船闸边坡及中隔墩直立墙的变形稳定提出了较高要求，为此，工程上采取边坡喷护，打高强锚杆，施加预应力锚索，以及在两岸山体

4、开挖七层排水洞进行排水，以降低地下水等工程措施，并布置了多点位移计、钻孔测斜仪等监测仪器，监测边坡岩体深部位移，本文将对多点位移计监测资料进行专项分析。2  多点位移计简介多点位移计是一种监测边坡深部位移的有效手段，它利用在岩体中钻孔后，在孔内不同深度埋设测点固定锚头，与锚头连接的测杆（测杆外用护管与灌浆水泥沙浆隔开）上装设位移读数装置来测量沿钻孔轴线上的不同深度的测点位移变化。多点位移计在船闸边坡及闸室直立墙上基本按断面布置。船闸埋设国产多点位移计的主要技术参数为：量程：±20mm；测点数：46；测孔深度：60m；钻孔直径：76；分辨率：0.01mm；精度：1.

5、0%F.S。3  成果初步分析3.1  垂直向岩体变形监测永久船闸在南北边坡170m马道以上布置垂直多点位移计观测孔，用来监测边坡深层岩体垂直变形，孔深在2045m之间。资料表明，永久船闸开挖产生的岩体垂直方向的变形基本上是回弹变形，其变形主要产生在船闸开挖期间。岩体回弹变形主要集中在边坡岩体上部，这主要是由于上部岩体位移受岩体的风化程度、地表施工干扰、爆破振动、地表水以及温度等因素影响较大，同时开挖卸荷引起的松弛变形对近地表岩石的影响更显着。由于垂直孔多点位移计埋设于170m高程以上且远离二期开挖区，故实测测点变形较小，随着开挖的结束，回弹变形趋于稳定

6、，垂直孔回弹变形基本稳定在5.0mm以下。13.2  高边坡排水洞洞壁到边坡间岩体卸荷松弛变形监测为监测永久船闸两侧高边坡岩体在船闸开挖过程中向临空面方向的卸荷松弛变形，在南、北坡36层边坡排水洞内埋设了水平向多点位移计来进行监测。其中35层排水洞的多点位移计埋设在闸室直立坡范围内，可以较好监测到排水洞洞壁到直立坡间岩体随槽挖岩体高程降低而产生的向船闸开挖临空面方向的岩体深部水平变形情况。开挖期间主要的变形是卸荷松弛引起的回弹变形，边坡岩体向临空面方向的水平位移已稳定，实测水平位移一般在 3.925.0 mm，变形主要发生在开挖期间，随着闸室南北槽开挖的完成，变形渐趋减小，

7、目前年变幅大多在0.5mm以内，趋于稳定。从分布图1可以看出，各测孔的变形基本上是越靠近边坡的测点其位移量越大，从1997年5月到1999年二期工程开挖期间靠近边坡的测点位移增长较快，靠近硐室的测点位移增长较慢，说明开挖引起的卸荷松弛的影响范围一般在1020m之间，松弛由外向内减弱。3.3  中隔墩及其闸室直立坡岩体水平向回弹变形监测为了监测中隔墩及其闸室直立坡岩体和潜在不稳定块体的深部水平回弹变形情况，设计在中隔墩一、二、三闸首和闸室直立坡等部位布置了多点位移计。通过初步分析，潜在不稳定块体（除f5块体、f1239块体外）的变形特点1999年埋设的多点位移计变形在3.6m

8、m以内，变形已稳定；2000年后埋设的多点位移计绝大多数的最大累积回弹变形在1.5mm以内，部分测点表现为压缩变形，压缩变形一般在-2.0mm以内，且目前已稳定。表明中隔墩及其闸室直立坡岩体的深部水平变形已稳定，未见不利于中隔墩和闸室直立坡稳定的深层岩体变形。3.4  不稳定块体监测3.4.1  f1239块体监测（1）f1239区上部岩体受压，变形指向坡里，压缩变形量一般不超过3mm。变形值自1999年9月以来基本稳定，这反映该区的断层带基本没有张开趋势，块体基本处于稳定状态。（2）f1239区上部的压缩变形出现在98年秋冬季至99年春季期间，此时锚索

9、在测孔周边区域施工，多点位移计的压缩变形可能是由锚索加固引起的，该部位锚索施工结束后，压缩变形值基本稳定。3.4.2  f5块体监测多点位移计监测成果总体显示，测值在-3.992.0mm之间。从图2可知，M03CZ32测孔岩体变形较大值都出现在1999年，此后测值稳定，初步分析认为M03CZ32测孔压缩变形较大主要是该部位的锚索施工引起的，随着锚固施工的结束，变形趋于稳定，说明该部位锚固效果较好，且后期测值已经稳定。多点位移计总体上说明f5块体后期已经稳定，没有不利于块体稳定的变形。       

10、0;  4  多点位移计位移变形规律分析4.1  垂直向位移变化规律（1）从统计值可以看出，二期工程开挖完成前（1999年4月之前）多点位移计的实测变形以回弹变形为主，回弹变形从0.966.09mm，而压缩变形最大只有-0.88mm。开挖完成后，变形速率明显减缓，目前仪器各测点的年度变幅最大只有0.65mm，由此可以看出，开挖引起的卸荷回弹产生的垂直位移随开挖的进行而产生，随开挖的停止而逐渐减缓。（2）从观测成果还可以看出，后期各测点向下的垂直位移量值也较小，最大只有-0.65mm，不到最大回弹变形量值的10%，说明永久船闸开挖产生的垂直方向的

11、变形基本上是回弹变形。（3）从时间分布来看，变形主要发生在一期工程施工期和施工间歇期（一期施工结束后3个月），后期边坡岩体的变形很小，个别测孔（如MD03GP01）的变形有所增加，主要与该部位岩体进行预应力锚索加固有关。(4)从空间分布来看，变形主要集中在边坡岩体上部，这主要是由于上部岩体位移受岩体的风化程度、地表施工干扰、爆破振动以及地表水等因素影响较大，同时开挖卸荷引起的松弛变形对近地表岩石的影响更显着。4.2  水平向位移变化规律（1）高边坡170m高程以上多点位移计孔测点仪器远离二期开挖区，故实测岩体变形量相对较小，岩体变形主要发生在1998年，目前岩体变形已基本稳

12、定。（2）对于高程较低的3、4层排水洞埋设的多点位移计，从特征值统计表及累积位移历时曲线可以看出，随时间的推移，各测孔位移值的变化过程均表现出如下明显的三个阶段：第一阶段为1999年4月闸室开挖结束前。随着闸室开挖高程的逐层下降，受卸荷松弛及爆破震动的影响，边坡岩体呈现往闸室方向松弛位移的特征，而且每次大的位移是与一个开挖台阶的下降所对应的。这阶段完成了整个边坡岩体的绝大部分的变形。第二阶段是在结束开挖工作后约1年左右。这个时期的边坡位移仍在进行，这种变化是逐渐且相对均匀的，没有突然变化的情况。各孔测点在这一年的变化量基本控制在2mm左右。从2000年下半年开始，进入相对稳定的第三阶段。边坡的

13、位移变化量逐渐变小，观测值的变化平缓。到目前已经经过了2年的时间，多数测点的位移增长在0.5mm以内，个别测孔的位移增长也在1mm以下，尤其在近半年时间内的累积位移增加更是微小，有些测点有时还出现负增长。从目前的观测结果，可以判定边坡岩体的水平方向的变形已基本趋于稳定。（3）同一测孔内各测点的累积位移完全遵循靠近坡面的数值大于靠近洞壁孔口的小的特点。但由于坡体内部地质构造及裂隙切割的原因，各测点的位移量不可能遵循线性变化的规律。各断面地质条件的差异，致使有些距离不大的相邻点之间出现的累积位移量相差较大，而一些距离较大的相邻点之间出现的累积位移量却相差不大，如SB4-2孔3号与4号点两者之间距离

14、8m，实测位移差值达到14mm，但SB3-1孔的4号点与5号点两者之间距离也是8m，实测位移差值却不到1mm。（4）闸室岩体开挖高程逐层下降，是边坡岩体出现水平松弛位移的根本原因，9个断面测孔的位移过程线均清楚地表明这一特点。当岩体开挖部位远高于测孔高程时，位移变化量极微小。当开挖高程接近测孔高程时，位移的情形相对复杂，各测孔并无特定规律，这个时期的坡体由于距钻孔爆破的爆源较近，容易受爆破震动的影响。在闸室开挖高程低于测孔高程时，各测孔的位移增长是和闸室以台阶形式逐层下降的时程相当对应的。（5）闸槽的开挖一方面使得原来完整的岩体出现松弛，原来的原生结构面和次生的构造节理、断层面张开，降低了岩体

15、内部的粘聚力；另一方面开挖引起的应力重分布使边坡有向临空面变形的趋势。（6）中隔墩多点位移计位移的历时过程并无明显的规律，受坡面施工活动及环境因素的影响较大。特别是在受到墙体混凝土浇筑和岩体锚索张拉的影响后，在测孔一定深度范围内的岩体受到压缩作用，说明岩体锚索张拉后，对直立坡的稳定起到了积极作用，原有的块体不稳定的状况得到了改善。目前，块体的变形已基本稳定。5  深层岩体变形模型初步分析（1）通过分析可知，开挖是边坡岩体变形的最为主要的因素，随着船闸闸槽的下挖，边坡临空面的水平地应力逐步释放，边坡高度逐渐增大，边坡边界条件发生变化，使得边坡岩体向临空面变形。开挖强度越大、变

16、形速率越大。开挖完成后，岩体深部变形以时效变形为主，另外变形还可能与气温、降雨等因素有关有关。（2）由前面的分析知道，二期（170m高程以下）的排水洞内多点位移计较完整的监测到了开挖对变形的影响，因此选取北坡3号排水洞内的多点位移计NB3-3（1#测点）变形量多元回归模型分析。（3）建立多元回归模型计算及分析根据测点变形与开挖、气温、降雨量、时效等因素有关，经过构建多个模型方案比较，对多点位移计NB3-3（1#测点）变形用多元回归分析生成统计模型Y=-1.67962E+00+ 6.22017E-01X1- 8.94631E-01X2+ 2.28027E-02X3- 6.10987E-03X4-

17、 3.42947E-04X5+ 1.33114E+00X6式中：X1 开挖深度（H0-Ht）;H0 起始高程;Ht t时刻的高程； X2 开挖深度2；X3 旬平均气温（）；X4 日平均气温（）；X5 降雨量（mm）；X6 时效因子（Ln（t+1）；Y 为测点位移量，单位mm。该方程选用因子X1、X2、X3、X4、X5、X6的重要性因素判断分别为12.80、-7.89、0.90、-0.25、-0.30、12.71，从重要性因素看出，开挖和时效影响对变形的影响最显着，温度、降雨量影响因素较小。该模型方程相关系数为0.99，模型剩余标准差为±0.72mm，显着性检验F值为751.02，说明

18、方程所选因子显着。回归曲线与实测曲线对比见图3，开挖分量、温度分量、降雨分量及时效分量见图4，回归成果见表。从图表中可以看出，在开挖过程中开挖是影响多点位移计变形的最主要因素，其次是时效影响；在开挖完成后岩体变形的影响因素主要为时效影响，且影响量值不大；温度和降雨对变形的影响很小，可忽略。同时，从2001年到2004年3月岩体变形仅从18.81mm变到19.49mm，年变形量为0.165mm，说明在开挖完成后岩体变形基本稳定。利用回归方程预测5年后时效分量仅为0.79mm，平均年时效量为0.16mm，说明岩体变形已经稳定。6  结语（1）永久船闸多点位移计的观测资料表明，边坡深层岩体相对变形已经稳定。由于锚固措施的使用，永久船闸高边坡、中隔墩直立墙及不稳定块体是